软土中浅埋地铁车站结构的抗震性能分析论文

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1、软土中浅埋地铁车站结构的抗震性能分析论文.freel以下地质资料较少见,本文只取计算深度为50m,即假定地震动由此高程输入。考虑地震作用过程中,假定地震动是由基岩垂直向上传播的压缩波或(与)剪切波。1.3有限元网格划分该结构体系宽110m,深度50m,结构与土体均采用平面应变单元,两侧人工边界采用弹簧-阻尼单元来模拟粘弹性边界,底部为全约束,通过设置合理的参数,以模拟地震动能量在边界的吸收和传播。采用合理单元大小对结构体系进行离散,以满足波传播和分析要求的需要。2地震反应分析以地铁车站为研究对象,假设各

2、种土层分布情况,研究对地铁车站的动力响应的影响。计算资料如表1所示。考虑4种埋深进行研究,分别为1.8、6、10和25m,周围土体取均质土体。然后对不同土层分布进行分析研究,各土层情况如图1所示,土层埋深均为1.8m。采用阪神Kobe波,如图2、图3所示,考虑到竖向地震及水平和竖向地震的相互耦合,工况分别采用水平(x向)、垂直(y向)和水平垂直双向地震动输入,垂直地震动加速度值取水平加速度的2/3。各种数值分析工况如表2所示。2.1应力分析本次数值模拟主要考虑了不同埋深和土层分布下,结构的侧壁、中柱和结

3、构顶板的受力情况。从图4可以看出在一定埋深情况下,结构应力随覆盖层厚度增加而增大,顶板土压力在两侧较大,顶板与中柱相交处的应力比较小,顶板跨中几乎没有变化,表明侧墙和立柱的约束限制了顶板与土体一起变形,在惯性力作用下,使得约束处产生较大的土压力。由图5可知,侧壁的底部应力最大,中柱的顶部应力最大,两者中间应力较小,应力呈马鞍状分布;覆盖层厚度变化,中柱轴向应力影响比侧壁大。图6为结构典型部位的应力,比较结果显示结构边墙4个角隅处应力比较大,埋深在25m时,结构有些部位应力增大不明显。从以上几点看出,结构

4、的设计准则应该提供有效的韧性,以吸收强加的变形,又不会丧失承受荷载的能力。由图7、图8可知,结构侧壁深入土体,结构应力有一定的变化,侧壁变化比较明显,特别是侧壁上端应力σy变化幅度大,有些部位略有增加;中柱应力两端略有减小,中间部位减小比两端多。由此显示侧壁削弱了结构竖向震动,同时也减小水平向变形,增强了与土体的整体性,提高了结构的抗震性能。2.2位移分析从图9、图10可以看出,底板竖直位移呈抛物状,底板两端位移比中部位移大,因此底板中柱附近可能产生剪切破坏。水平分层的水平位移比竖直分层大,变形趋势基本

5、相似;竖直土层不同时,底部有较软土层的结构容易产生较大的位移,竖向位移甚至比水平分层还要大,结构在中间部位产生了较大幅度的竖向位移。这说明了地下结构在较软的土层上,容易使结构产生相互错动,从而产生剪切破坏。由图11、图12知,在激励时,楼板各测点相对位移呈波动变化,但各工况下最大值都在楼板两端。埋深大的位移值要大于埋深浅的,由此可以说明埋深不同对结构楼板位移的影响较大。覆盖层增大,结构侧向受到的土压力增大,使得结构楼板受到侧墙的水平作用加大。各种埋深情况下,位移呈马鞍状分布,楼板中点的位移较小,与最大值

6、相差不大;埋深1.8m时两端位移几乎相同,埋深10m时两端位移有显著的差别,说明垂直荷载加大了对中柱的影响,产生弯曲变形。2.3加速度分析由表3可见随着深度增加,各节点的加速度峰值均基本增大,结构的响应也变得明显。浅埋情况下结构水平放大系数大于垂直放大系数;埋深10m情况下,垂直放大系数大于水平放大系数。不同土层情况下,结构底板中点加速度时程曲线如图13所示,加速度曲线相似。水平加速度峰值水平分层出现在4.78s,峰值是1.567m/s2,而竖直分层最大峰值在5.18s,峰值是1.52m/s2。水平分层

7、土层分布不同对底板水平加速度影响比较大,反应曲线基本与地震动曲线形状相似,说明底板主要是随地震动一起震动,震动特性基本不变。参照文献7方法,得到频响函数(图14、图15),结构顶板响应峰值比底板大,差别比较明显。在低频率下,水平土层中底板得到的响应峰值较大,竖直土层使得频响函数减小。由此可以看出,水平分层响应比较大,土层分布不能忽略。3结论数值分析结果表明:(1)地下结构的上覆土层厚度对结构的影响比较大,浅埋时随厚度增加,结构应力增大,对中柱的破坏更明显,楼板的破坏也加重。(2)地下结构的震害多发生在地

8、层条件有较大变化的区域。水平分层比竖直分层更容易使地下结构遭受破坏。结构底部有较软土层时,容易使底板产生更严重的不均匀变形,从而产生剪切破坏。(3)采用合理的构造措施,比如侧墙深入土层、增强结构与土的整体性,可以提高地下结构的抗震性能。